FPGA设计之时序约束

在FPGA的设计当中，时序约束的重要性不言而喻。这也是要做好FPGA设计必须掌握的一门基本功。但是我发现，很多初学者甚至有一两年设计经验的已经入门的工程师（包括本尊..汗），并不重视这一基本技能。

归根到底原因可能有以下几个方面：1.没有遇到问题，代码写完后编译通过了，板测功能实现就OK啦。2.感觉有点无从下手，没有很系统的资料，有些概念难以理解，公式又多，并且sdc文件里面的相关约束语法比较陌生，所以干脆先放下，等以后遇到问题再说。在这里，我想说得是，出来混，早晚得还滴。首先，编写完代码，系统能跑起来只是完成设计中的一小部分，调试才是花比较多的时间。有好几次调试我都感觉我不是在调试板子，而是被板子调戏…….

正是因为走过前面的这么多坑，所以我下定决心，务必要拿下一这块。然后网上各种查阅前辈的分享经验，啃官网手册，花了将近一个多月的时间，慢慢消化，转化为自己的知识点。然后才有了这篇博客。

再开篇之前，我想声明以下两点:

1．时序约束重要。这话说得是时序很重要，好的时序是设计出来的，不是约束出来的。一个好的设计，良好的代码习惯才是最重要的。

2．高速信号。通常有人会说，我的时钟才几MHz，不用约束啦。我觉得这话有点不妥。高速信号通常来说可以分为两类，一种是高频信号，另外一种是上升时间很快的信号。信号的带宽与上升时间有个估算公式，即BW=0.35/上升时间，BW单位为Hz,上升时间单位为秒，所以就算频率很低的数字信号也有可能是高速信号。

时序约束这一个知识点，我打算分成两篇来介绍，第一篇介绍一下基本概念，先有个概念嘛，要不然后面都有点不知所云啦；第二篇是介绍常用的一些指令以及约束的流程。通过这两篇博客把自己这段时间的收获记录下来，有理解不对的地方希望大家指正，要是能够帮助到一些正在学习这块的童鞋，那就更好啦。哈哈….

言归正传，下面正式进入正文：

时序约束基本概念：

启动沿（launch）与锁存沿(latch)

这对概念就比较简单了，能用图说话的就不用文字，一目了然。


 

图1   Launch & Latch
Launch Edge （启动沿）: 前级寄存器发送数据对应的时钟沿。

Latch Edge （锁存沿）：后级寄存器锁存数据时对应的时钟沿。

建立时间（setuptime）与保持时间（hold time）

setup time :数据要能够被LatchEdge正确锁存，必须要在Latch Edge 到达之前保持稳定，这个提前到达的最少时间量，就是建立时间。

Hold time : 数据要能够被LatchEdge正确锁存，除了在Latch Edge到达之前提前准备好以外，还必须在Latch Edge到达后，保持稳定一段时间。这段保持稳定的时间，就是Hold time。

数据要求时间（requiretime）与数据到达时间(arrival time)

所有的信号在传输过程中都会有一定的延时，这里不展开详细论述。

         数据到达时间（arrivaltime）：



图2   Arrive time
其中，Tclk1是指Launch Edge启动后，时钟到达REG1的延迟。Tco是指数据输出延时，定义为D触发器的上升沿有效到D触发器输出端数据有效的时延，Tco是器件固有参数。Tdata是指数据从上级寄存器到达下一级寄存器的路径延迟。

数据要求时间（require time）:

数据要求时间有两种，分别是建立时间与保持时间



图3   Require time (setup)
数据要求时间（setup） = LatchEdge + Tclk2 – Tsu;其中，Tclk2是指时钟到REG2的路径延迟。



图4   Require time (hold)
数据要求时间（hold） = LatchEdge + Tclk2 + Th;

  建立时间余量（setupslack）与保持时间余量(hold slack)

建立时间余量（setup slack）



图5   setup slack
从上图我们可以知道：

setup slack =数据要求时间（setup）-数据到达时间(arrivaltime)

保持时间余量(hold slack)



图6   hold slack
hold slack =数据到达时间(arrivaltime) -数据要求时间（hold）

以上就是我觉得时序分析当中，务必要掌握的几个基本概念。理解上述概念之后，下一篇博客将对时序分析的流程以及常用的一些指令作简析。

附：在分析数据要求时间（requiretime）与数据到达时间(arrival time)的时候，官网的手册中还有几种针对FPGA内部的不同计算公式。在这里我也罗列出来，阐述一下自己对这几对公式的理解。



图7   FPGA内部的计算关系
至于在FPGA内部Data_Require_Time的计算当中，为什么要减掉Setup_Uncertainty。首先要搞清楚setup_uncertainty是什么东西。我们觉得我们可以通过参照clock uncertainty来理解。clock uncertainty等于clock skew + jitter of clock source。clock skew是指理想的时钟是完全同步的，也就是说所有寄存器的时钟都同时到达，但实际上实现不了，clock
skew是指同一时钟域内不同寄存器时钟最早到达和最迟到达的时间差。 jitter是指时钟源的时基抖动。例如理想的PLL产生的时钟源每个周期都相同，但实际上每个周期的上升沿会有一些偏差。这就是时钟抖动。

由此看来，这个Setup_Uncertainty正如其名说，是个不确定量，为了保险起见，当然要要求数据在锁存时刻之前到达，以免不满足建立时间。也可以这么理解，在建立时间到来之前，要求数据再提前一些到达，这样时序更加保险！不过，在实际应用当中，我们在写sdc约束文件的时候，只需约束到外部器件到FPGA管脚处这一层次即可，FPGA的内部时序关系，Timequest会根据所选的器件，自行约束。但是也要理解，因为一旦内部时序违例需要修改逻辑的时候，这些分析要用上。